TWI713252B

TWI713252B - 環形縮距天線測試裝置

Info

Publication number: TWI713252B
Application number: TW108108809A
Authority: TW
Inventors: 張道治
Original assignee: 張道治
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2020-12-11
Also published as: TW202036982A

Abstract

一種環形縮距天線測試裝置，包含一組環形主反射面，單組或多組輔反射面，及單組或多組訊號饋入器。主反射面為一環型反射面，其凹陷朝向環型中心軸線上。輔反射面幾何形狀依費馬原理之波特性原理求得。如要產生多組分別由不同方向朝向環型中心軸線之平面波，可利用環型反射面上朝向環型中心軸線之不同區塊，及其相對應不同訊號饋入器之位置，則其相對應之多組輔反射面幾何形狀可算出。本發明可在天線測試靜區產生多組不同方向之入射平面波，同時供單組或多組天線在不同方向的天線輻射場型量測，且可快速量測二維及三維天線輻射場型。

Description

環形縮距天線測試裝置

本發明是有關於藉由環形的反射面，結合不同多組輔反射面，及多組訊號饋入器，產生多組不同方向入射平面波到測試靜區內的裝置，供不同位置天線同時間量測天線場型(Radiation pattern)之裝置。

目前在量測天線的輻射場型時，需將天線置於可接收到類似理想之入射平面波(Plane wave)區域，理想平面波為波前(Wavefront)之電場(Electric field)振幅(Amplitude)大小相同，波前之電場相位(Phase)大小相同的區域，此條件下之區域稱為測試靜區（Quiet zone）。如要達到理想之平面波，待測天線與發射源距離需無限遠及電波傳播過程沒有多重路徑反射(Multiple reflections)，折射(Refraction)，或繞射(Diffraction)等發生，因此平面波視規格需求，波前(Wavefront)之電場(Electric field)振幅(Amplitude)，及波前之電場相位(Phase)大小，可允許稍微放寬，例如市面上之傳統遠場微波暗室測試靜區規格 (如測試靜區大小為D，λ為波長，量測距離R為2D ²/λ時之波前之電場二次方相位差22.5度，加上電波多重路徑反射或繞射等影響)，為電場振幅變動

1分貝(Decibel)，電場相位波紋(ripple)為

6度。如波長越短(頻率越高)，為了維持同樣測試靜區大小D，量測距離R需增加，相對地，微波暗室之空間也需變大。

為了在有限空間下有較大之測試靜區，且測試靜區大小不受頻率影響，現有的天線場型量測裝置，主要是採縮距式天線量測場（CATR, Compact Antenna Test Range）裝置執行，而現有的縮距式天線量測裝置主要可分二種，單一反射面之縮距式天線量測場，及雙反射面之縮距式天線量測場。單一反射面之縮距式天線量測場由偏心之部分拋物面為主要反射面，饋源置於拋物面之焦點(Focus)位置上，饋源輻射之球面波經拋物面反射後，就可得平面波，如考量較佳之天線功率效率(Antenna power efficiency)下，此縮距式天線輻射量測場測試靜區小。雙反射面之縮距式天線輻射量測場，常見主反射面為偏心之部分拋物面(Paraboloid)為主要反射面，輔反射面幾何形狀為部分之橢圓面(Ellipsoid)或部分之雙曲面(Hyperboloid)，輔反射面之內(或外)焦點(Focus)與拋物面之焦點重疊，饋源置於輔反射面之外(或內)焦點，饋源輻射之球面波經輔反射面反射後，為等效虛擬饋源置於輔反射面之內(或外)焦點輻射之球面波，這球面波經主要反射面反射後為平面波，如考量相同天線功率效率(Antenna power efficiency)下，雙反射面構成之測試靜區比單一反射面構成之測試靜區大。

要使以上兩種縮距式天線量測場測試靜區內，平面波之波前電場振幅及電場相位波紋(ripple)變化小，除了反射面表面幾何形狀失真小外，反射面之邊緣需特別處理，反射面之邊緣處理，常見為邊緣增加多個鋸齒型狀(Serrated edge)之反射面，或邊緣採用往後翻之滾邊(Rolled edge)型式，愈多之反射面之邊緣處理將增加成本及複雜度。另外，如要多個平面波由不同方向進入測試靜區，供測試靜區內待測載具上不同位置且不同指向之多個天線輻射場型測試，則須多組縮距式天線量測場之安排，由於主反射面為拋物面，因此增加架設複雜度及空間須求。

因此，本發明的一目的，即在提供一種除了低複雜度及節省空間需求外，且在量測場測試靜區內有多個不同方向之入射平面波，供載具上不同位置及不同方向之多天線同時間量測各別場型之環形縮距天線測試裝置。

於是，本發明環形縮距天線測試裝置包含一環形(Torus)的主反射面、至少一幾何形狀一樣(也可不一樣)在不同位置之輔反射面、及至少一相對於輔反射面之訊號饋入器。

該主反射面為環形反射面，且面上任何一點皆由兩個互相垂直主要曲率構成，其中之一曲率為一呈圓形線(Circle)的第一曲線之曲率，其曲率半徑隨第二曲線不同高度之位置而改變，但其曲率中心位置永遠在測場測試靜區中心位置，另一第二曲線之曲率中心位置在環形內，其形狀可為拋物線(Parabola)、雙曲線(Hyperbola)、橢圓線(Ellipse)、圓形線(Circle)，及可公式表示之任何曲線等。

該一輔反射面之幾何形狀藉由主反射面上之部分反射面積，及相對應之饋源位置決定。由饋源位置輻射之球面波，經輔反射面反射到主反射面，再經主反射面反射成為平面波，朝向測場測試靜區中心位置，依費馬原理(Fermat principle)，進行中兩波之間相對位置之相位差為等值，及史奈兒定律(Snell’s law)，在反射點位置，入射角度等於反射角度，入射方向、反射方向，及反射點位置之法線為共平面。因此，饋源位置到輔反射面上反射點之距離R，加上輔反射面上反射點到主反射面上相對反射點之距離L，再加上主反射面反射後成為平面波之距離M，則依R+L+M為固定常數，及Snell’s定律，則輔反射面幾何形狀可算出。

又，本發明的另一目的，即在提供一種除了低複雜度及節省空間需求外，且在量測場測試靜區內有多個不同方向之入射平面波，供載具上不同位置及不同方向之多天線同時間量測各別場型之環形縮距天線測試裝置。

於是，本發明環形縮距天線測試裝置僅用一組環型的主反射面配合至少一輔反射面，及至少一相對應的饋入器，即可產生多個不同方向入射之平面波於測試靜區，供多個天線接收或發射之場型量測之用，該等輔反射面的幾何形狀由該主反射面的表面方程式及該等訊號饋入器的位置共同定義。

較佳地，環形縮距天線測試裝置，包含一組環型的主反射面，及至少一輔反射面，該環型的主反射面由兩正交之曲線構成，其中之一曲線為圓形曲線，圓心在測試靜區中心軸線上。另一曲線可為拋物線(Parabola)、雙曲線(Hyperbola)、橢圓線(Ellipse)、圓形線(Circle)、及可公式表示之任何曲線等其中之一。

較佳地，該環型的主反射面由兩主要曲線構成，其一第一曲線為圓形曲線，圓心在測試靜區中心軸線上。

該環型的主反射面的一第二曲線可為拋物線方程式。

該環型的主反射面的一第二曲線可為雙曲線方程式。

該環型的主反射面的一第二曲線可為橢圓線方程式。

該環型的主反射面的一第二曲線可為方程式表示之曲線等。

本發明的功效在於：藉由該第一曲線圍繞該中心軸線形成的該主反射面，及界定出的該輻射空間，及由該主射面的表面方程式與該訊號饋入器的位置共同界定出的該輔反射面，以在該輻射空間中產生在各種方向行進的測量用電磁波，進而可量測到該至少一天線在特定時間點下接收而產生對應的電磁輻射參數，同時根據該主反射面的幾何結構特性，減少了須進行邊緣處理的區域，且可提升測試靜區尺寸因而降低反射面施工難度及製造成本。

參閱圖1、圖2、圖3，本發明環形縮距天線測試裝置(Toroidal compact antenna test range)的一實施例，用於在一測試靜區R2，量測多個天線21接收平面電磁波(Plane electromagnetic wave)後的天線輻射場型(Antenna radiation pattern)參數，包含一環形(Torus)的主反射面(Main reflector)31、至少一訊號饋入器(feed horn)4，及至少一輔反射面(Sub-reflector)51。

需先說明的是，本實施例的訊號饋入器4與輔反射面5的數量可為多個，且每一訊號饋入器4設置位置不同，每一輔反射面5的幾何形狀可為相同，亦也可為不同，本實施例以下關於訊號饋入器4與輔反射面51的說明其數量皆為多個。

該環形的主反射面31上任何一點，皆由一為圓形曲線的第一曲線C1，及與該第一曲線C1正交之第二曲線C2構成，該第二曲線C2的態樣為圓形曲線，拋物曲線，橢圓曲線，雙曲線，及可公式表示之任何曲線，第一曲線C1之一曲率半徑L1隨第二曲線C2之高度位置而改變，但第一曲線C1之曲率中心L1永遠在測試靜區之中心軸線L2上。因此第一曲線C1及第二曲線C2構成之主反射面為環形的主反射面。

再進一步地說明，該主反射面31的實質外觀呈現環狀圍繞，且表面呈弧形，且該主反射面31以環狀形式圍繞的空間即為被界定出的輻射空間R1，而該第二曲線C2的軌跡滿足拋物線方程式、橢圓線方程式、雙曲線方程式，圓方程式，或可由方程式表示之曲線等，在實際設計製造該主反射面31時，由於殼體在第一曲線C1的對稱與連續性，未有邊緣繞射問題，且該第二曲線C2邊緣之電場振幅大小可由訊號饋入器場型及輔反射面決定，因此邊緣繞射處理相對簡單，使除了施工簡單外，該主反射面31也將有較大的測試靜區尺寸。更具體地說，該主反射面的面上任何一點皆由兩個互相垂直主要曲線構成，其中之一曲線為圓形線(Circle)，其曲率中心位置在測試靜區軸線中心上，另一正交曲線可為拋物線(Parabola)、雙曲線(Hyperbola)、橢圓線(Ellipse)、圓形線(Circle)，及可公式表示之任何曲線等。

此外，被量測的該等天線21是放置於該輻射空間R1的一測試靜區(Quiet zone)R2內，該測試靜區R2，在本案例為在此區域內的平面電磁波的振幅變化為1.3分貝、即振幅漣波介於-0.65分貝至0.65分貝間，及相位角度漣波介於-5∘至5∘間。

該等訊號饋入器4位於該輻射空間R1，並輻射多個與該平面波相關的饋入訊號，其中，S1~S3各為每一訊號饋入器4輻射的饋入訊號的有效輻射區域。

該等輔反射面51的表面方程式由該主反射面31的表面方程式及該訊號饋入器4的位置共同定義，且該等訊號饋入器4朝該等輔反射面51入射該等饋入球面波訊號時，該等輔反射面51將該等饋入球面波訊號反射至該主反射面31，再經第一反射面31反射出行進方向朝中心軸線L2的平面電磁波，用以供被量測的該等天線21接收後產生對應的場型參數，並由該接收分析器22量測相關數據。

需再說明的是，該等輔反射面51的表面幾何形狀是由該第一反射面31的表面方程式與該等訊號饋入器4的位置搭配幾何射線追蹤法（Ray tracing）所決定。

此外，本發明也可用環型的主反射面，配合相同(或不相同)之輔反射面及饋入器，達到測試靜區內有不同方向之平面波。

再者，本發明還可用環型的主反射面，配合沿固定軌跡機械移動之饋入器及其對應之輔反射面，達到在測試靜區有相對方向之平面波，加上支撐待測天線之二維旋轉台，可同時測試多天線系統之天線三維輻射場型。

如前所述者，本發明的實施例，除了可快速測試多天線系統之天線二維(Two dimension)場型外，如加上支撐待測天線之轉台，也可快速測試多天線系統之天線三維(Three dimension)場型。

參閱圖4，為本實施例在實際模擬時，對朝向L2不同方向（45∘、90∘、135∘、180∘、215∘、270∘、315∘、360∘）的波束成形（beamforming），由此結果可知，在本實施例的確可在L2各方向形成平面入射波而被待測天線所接收。

綜上所述，本發明環形縮距天線測試裝置藉由環形外觀的主反射面所具備的幾何結構特性，減少了須進行邊緣處理的區域，據此提升測試靜區尺寸因而降低反射面施工難度及製造成本。因此確實達成本發明的創作目的。另一方面，也由於主反射面之第一曲線軌跡為圓方程式，環形之正交第二曲線軌跡可為拋物線方程式、橢圓線方程式、雙曲線方程式，及圓方程式，或可方程式表示之曲線等，輔反射面幾何形狀由主反射面之部分面積、及該訊號饋入器位置所決定，如將多個訊號饋入器位置安排為圓形，於環形的主反射面相對位置，界定出該相對之輔反射面幾何形狀，將在測試靜區之中心軸線上具有不同方向入射之平面波，再者，依據以實際參數得到的模擬結果，充分驗證多天線在本發明縮距式天線量測裝置，各自可同時收到來自不同方向的平面電磁波，供一或多個天線同時量測二維天線輻射場型之用。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

21······· 天線 22······· 接收分析器 31······· 主反射面 4········ 訊號饋入器 51······· 輔反射面 C1······ 第一曲線

C2 ····· 第二曲線 L1······· 曲率半徑 L2······· 中心軸線 R1······ 輻射空間 R2······ 測試靜區 S1~S3· 有效輻射區域

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明環形縮距天線測試裝置的一實施例之俯視圖，及產生中間方向平面波之正向圖，說明本發明一個環形的主反射面、多個輔反射面，及多個饋源位置之示意圖；圖2是一示意圖，輔助說明該實施例相關元件的設置位置；圖3是一局部示意圖（含主反射面，輔反射面，饋源位置，及測試靜區等），說明該實施例的一輻射空間中相關元件的設置位置及電磁波行進方向；及圖4說明實例之模擬波束成形方向，在測試靜區多波束分別有0度，45度，90度，135度，180度，225度，270度，315度等方向之平面波，本例之測試靜區內每一波束之平面波振幅維度變動幅度為

0.65分貝。

C2 ····· 第二曲線 L1······· 曲率半徑 L2······· 中心軸線 R1······ 輻射空間 R2······ 測試靜區

Claims

一種環形縮距天線測試裝置，僅用一組環型的主反射面配合至少一輔反射面，及至少一相對應的饋入器，即可產生多個不同方向入射之平面波於測試靜區，供多個天線接收或發射之場型量測之用，該等輔反射面的幾何形狀由該主反射面的表面方程式及該等訊號饋入器的位置共同定義，該環型的主反射面由兩正交之曲線構成，其中之一曲線為圓形曲線，圓心在測試靜區中心軸線上，另一曲線可為拋物線(Parabola)、雙曲線(Hyperbola)、橢圓線(Ellipse)、圓形線(Circle)、及可公式表示之任何曲線等其中之一。
一種環形縮距天線測試裝置，僅用一組環型的主反射面配合至少一輔反射面，及至少一相對應的饋入器，即可產生多個不同方向入射之平面波於測試靜區，供多個天線接收或發射之場型量測之用，該等輔反射面的幾何形狀由該主反射面的表面方程式及該等訊號饋入器的位置共同定義，該環型的主反射面由兩主要曲線構成，其一第一曲線為圓形曲線，圓心在測試靜區中心軸線上。
如請求項2所述的環形縮距天線測試裝置，其中，該環型的主反射面的一第二曲線可為拋物線方程式。
如請求項2所述的環形縮距天線測試裝置，其中，該環型的主反射面的一第二曲線可為雙曲線方程式。
如請求項2所述的環形縮距天線測試裝置，其中，該環型的主反射面的一第二曲線可為橢圓線方程式。
如請求項2所述的環形縮距天線測試裝置，其中，該環型的主反射面的一第二曲線可為方程式表示之曲線等。